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雙電機(jī)多模電軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)

發(fā)布時(shí)間：2022-04-13 瀏覽數(shù)：13 文章出自：東莞市雷奧哈德傳動(dòng)設(shè)備有限公司


摘要



顧客對純電動(dòng)汽車有三大需求?！暗统杀尽?、“充電時(shí)間短”、“續(xù)航里程長”?，F(xiàn)有的—驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車速主要有以下3個(gè)問題需要進(jìn)一步改進(jìn)?！半姍C(jī)的高效率區(qū)域不能覆蓋所有的轉(zhuǎn)速，尤其是高速”?！霸谀承{駛場景中，比如上坡時(shí)，可能會(huì)感到動(dòng)力不足”?！案蟮碾姍C(jī)尺寸和電池容量是必要的。”為了解決這一問題，“既要實(shí)現(xiàn)高效率，又要實(shí)現(xiàn)高性能”和“既要實(shí)現(xiàn)高輸出，又要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車橋的緊湊”是非常重要的。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們開發(fā)了“雙電機(jī)-雙速”3合一電驅(qū)系統(tǒng)；可實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)多驅(qū)動(dòng)模式、2電機(jī)2速組合可提供4種驅(qū)動(dòng)模式。根據(jù)駕駛工況選擇最優(yōu)模式，既能提高能耗，又能降低電池容量。雙電機(jī)，可在必要的驅(qū)動(dòng)場景下獲得足夠的驅(qū)動(dòng)力。由于采用兩個(gè)小電機(jī)對稱放置，可以使電機(jī)的直徑更小，所以可以在不增大電機(jī)尺寸的情況下通電。它有助于擴(kuò)大行李空間，而且無需投資購買新的大驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過整車測試，證實(shí)WLTC模式的功耗提高了10%以上。這意味著電池容量將減少10%以上。而且，良好的駕駛性能被證實(shí)沒有苛刻的換擋技術(shù)。



1.介紹



輕型卡車等輕型電動(dòng)汽車已開始廣泛應(yīng)用，主要是為了解決城市地區(qū)的環(huán)境問題，因此需要低成本、低功耗的動(dòng)力總成。P0/P4系統(tǒng)還有望以最低成本改善48V P0 HEV的環(huán)境和動(dòng)力學(xué)性能。以交付為主要用途的輕型電動(dòng)汽車，需要減少對環(huán)境的影響，根據(jù)貨物和車輛負(fù)載的變化確保最佳驅(qū)動(dòng)力，并盡可能提供貨物空間。也就是說，既要有更低的功耗、更高的行駛性能、更好的整車可裝性的封裝設(shè)計(jì)，又必須以較低的成本實(shí)現(xiàn)。使用目前主流的“單電機(jī)-單速”電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不可能在所有行駛和加載情況下同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗和高行駛性能。



近年來，為了在低、高速工況下實(shí)現(xiàn)低功耗，開始出現(xiàn)單電機(jī)軸雙速變速器，推動(dòng)了多級(jí)或無級(jí)變速器的方案。然而，對于運(yùn)輸卡車這樣的車輛來說，所需的驅(qū)動(dòng)力會(huì)因貨物的裝載條件而發(fā)生很大的變化，或者對于城市駕駛和比賽賽道使用的超級(jí)跑車來說，需要完全不同的駕駛性能，單臺(tái)電機(jī)所能覆蓋的高效率范圍內(nèi)的駕駛場景存在局限性。此外，還有一個(gè)問題是，由于一個(gè)新的高產(chǎn)量電機(jī)的巨大投資成本，其成本不可避免地高。為了解決上述問題，我們開發(fā)了“雙電機(jī)-雙速”三合一電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，具有4種驅(qū)動(dòng)模式和2種再生模式，可以用低成本的電機(jī)生產(chǎn)。



2.系統(tǒng)介紹



如圖1所示，一個(gè)集成了變速箱和逆變器的三軸e-axis。位于低齒輪側(cè)的電機(jī)和逆變器與位于高齒輪側(cè)的電機(jī)和逆變器對稱布置。LH電機(jī)連接到低齒輪，RH電機(jī)連接到高齒輪。在第二軸上的低齒輪有一個(gè)集成的單向離合器，以實(shí)現(xiàn)無縫換擋。此外，第一軸上的狗爪離合器可以在需要時(shí)直接連接左/右電機(jī)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)。通過兩個(gè)電機(jī)和兩個(gè)齒輪的組合，可以選擇四種驅(qū)動(dòng)模式。根據(jù)駕駛場景控制四種駕駛模式之間的切換，節(jié)省能耗，提高駕駛效率可以實(shí)現(xiàn)性能。再生可以在沒有單向離合器的高齒輪扭矩路徑下進(jìn)行，并且可以在兩種模式下進(jìn)行(見圖2)。每種模式的扭矩流和驅(qū)動(dòng)場景如下圖所示。



圖1 雙電機(jī)多驅(qū)動(dòng)方式電動(dòng)橋



圖2 每種模式的扭矩/速度范圍



2.1單電機(jī)-低模式



“1-Motor-Low”模式用于從啟動(dòng)到低速驅(qū)動(dòng)。只有左LH馬達(dá)的扭矩通過低速檔傳遞給輪胎。(見圖3)



圖3 “1-Motor-Low”模式扭矩傳遞路徑



2.2單電機(jī)-高模式



“1-Motor-High”模式用于中速到高速行駛的情況，這樣可以節(jié)省功耗。只有RH馬達(dá)的扭矩通過高擋傳遞給輪胎(見圖4)。在“1-Motor-Low”和“1-Motor-High”模式之間的切換是通過內(nèi)置在低擋內(nèi)的單向離合器無縫完成的。如果與高擋直接相連的第二軸比低擋旋轉(zhuǎn)得快，則單向離合器解鎖，低擋自由，完成“1-Motor-High”模式的轉(zhuǎn)換。



圖4 “1-Motor-High”模式扭矩傳遞路徑



2.3“2-Motor-Low /High組合”模式



“2電機(jī)-低/高組合”模式適用于需要高扭矩的驅(qū)動(dòng)場合，如上坡驅(qū)動(dòng)。LH和RH馬達(dá)同時(shí)工作，它們的扭矩在第二軸上結(jié)合，最大的驅(qū)動(dòng)力傳遞給輪胎。(見圖5)



圖5 “2電機(jī)-低/高組合”模式轉(zhuǎn)矩傳遞路徑



2.4“2-Motor-High”模式



“2-Motor-High”模式適用于需要快速和強(qiáng)力加速的駕駛場合，比如在高速公路上超車。當(dāng)LH、RH電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)同步，第一個(gè)軸上的狗爪離合器被激活時(shí)，LH、RH電機(jī)被連接起來，它們的轉(zhuǎn)矩被同步。組合扭矩通過高速齒輪傳遞給輪胎。(見圖6)



圖6 “2-Motor-High”模式扭矩傳遞路徑



3.技術(shù)特征



主要特點(diǎn)是功耗低、驅(qū)動(dòng)性能高、體積小。下面是每個(gè)特性的詳細(xì)描述。



3.1低功率消耗



根據(jù)車輛行駛負(fù)載狀態(tài)和行駛場景，對上述模式進(jìn)行優(yōu)化選擇，可提高行駛能量效率。典型的單電機(jī)e-axis無傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于電機(jī)的高效范圍限制了驅(qū)動(dòng)場景，在低速和高速下都很難實(shí)現(xiàn)低功耗。兩個(gè)電機(jī)和兩級(jí)傳動(dòng)的組合使其可以根據(jù)駕駛場景進(jìn)行模式切換，大大擴(kuò)展了駕駛場景范圍，可以覆蓋如圖7所示的電機(jī)的高效范圍。這使得在低速或高速行駛時(shí)節(jié)省電力成為可能。在WLTC駕駛模式下，后面描述的原型車規(guī)格中的系統(tǒng)操作點(diǎn)幾乎只能在“1-Motor-High”模式下運(yùn)行。但在現(xiàn)實(shí)世界中，爬坡、高速行駛、超車等需要較大驅(qū)動(dòng)力的情況下，通過切換操作電機(jī)的數(shù)量和傳動(dòng)比，可以實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)效率。如圖8所示，在原型車的情況下，與一般的單電機(jī)單轉(zhuǎn)速e-axis相比，功耗可以提高10%。在相同的續(xù)航里程下，這相當(dāng)于電池成本和重量減少10%。



圖7 多驅(qū)動(dòng)方式



圖8 功耗改善示意圖



3.2車輛安裝靈活性



對稱、扁平、緊湊的外形可以安裝在車輛較低的位置(見圖9)。這降低了車輛的重心，使行駛更加平穩(wěn)，在內(nèi)外設(shè)計(jì)上更加自由。例如，配送車輛的貨艙可以擴(kuò)大。它還有助于減少扭矩轉(zhuǎn)向，因?yàn)樽笥逸S的長度可以設(shè)置為相等。



圖9 外形空間布局示意圖



3.3附加功能



為了在普通的電動(dòng)汽車e-Axle上提供Hill Assist功能，需要通過電機(jī)操作或制動(dòng)操作來保持車輛，這就成為了一個(gè)問題，因?yàn)樗鼤?huì)降低車輛的功耗。內(nèi)置了兩組離合器，可以在不耗電的情況下實(shí)現(xiàn)Hill Assist功能。在“2-Motor-High”模式下，當(dāng)車輛在上坡停止時(shí)，松開油門踏板，由于扭矩在機(jī)組內(nèi)部循環(huán)，車輛無法倒車而停止。踩上加速踏板，自動(dòng)釋放扭矩循環(huán)，允許車輛前進(jìn)(見圖10)。這個(gè)簡單的山丘輔助功能可以在沒有額外組件的情況下實(shí)現(xiàn)。



圖10 車輛輔助功能示意圖



4.測試結(jié)果



測試車輛配備了該型電驅(qū)系統(tǒng)，以驗(yàn)證功耗和駕駛性能。測試車輛是一輛48V的電動(dòng)汽車，具有可選擇的4WD/FF/FR驅(qū)動(dòng)模式，這是基于一輛緊湊的跑車，并配備了一個(gè)電驅(qū)系統(tǒng)軸在前面和后面。表1顯示了試驗(yàn)車輛的規(guī)格。



表1 車輛信息



圖11 理論效率與實(shí)測效率的比較



4.2平滑模式變化



測量了車輛切換模式時(shí)的加速度。典型的模式切換結(jié)果如下圖所示。



4.2.1通過單向離合器切換模式(“1-Motor-Low”到“1-Motor-High”)



通過增加RH電機(jī)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)降低LH電機(jī)轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)矩從LH電機(jī)傳遞到RH電機(jī)，實(shí)現(xiàn)模式切換。如圖12所示，當(dāng)扭矩由LH電機(jī)傳遞給RH電機(jī)時(shí)，車輛的加速度沒有變化。



圖12 從“1-Motor-Low”模式切換到“1-Motor-High”模式的測試結(jié)果



4.2.2通過離合器進(jìn)行模式切換(從“1-Motor-High”模式切換到“2-Motor-High”模式)



當(dāng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度增加,RH之間的轉(zhuǎn)速差和LH電機(jī)小于目標(biāo)值,狗爪離合器結(jié)合,和扭矩的LH/RH電動(dòng)機(jī)結(jié)合第一軸完成模式切換。如圖13所示，狗爪離合器嚙合時(shí)車輛的加速度沒有變化，說明模式切換平穩(wěn)。



圖13 從“1-Motor-High”模式切換到“2-Motor-High”模式的測試結(jié)果



5.結(jié)論



我們開發(fā)了一款雙電機(jī)多驅(qū)動(dòng)方式的電動(dòng)車橋，解決了送貨卡車等車輛電氣化的問題，在實(shí)際行駛工況下所需的驅(qū)動(dòng)力變化很大，在實(shí)現(xiàn)低功耗和駕駛性能的同時(shí)，提供了廣闊的貨艙空間。兩個(gè)電機(jī)和兩級(jí)變速器的組合，實(shí)現(xiàn)了四種驅(qū)動(dòng)模式和兩種再生模式，使其能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗和高驅(qū)動(dòng)性能。扁、平、薄布局也允許eaxis安裝在車輛上較低的位置，從而有助于擴(kuò)大貨物空間。



來源：電動(dòng)新視界 五哥

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